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水树老化

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交联聚乙烯电缆的水树老化
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　　交联聚乙烯电缆因为绝缘性能好，允许工作温度高有较好的机械强度而受到设计施工人员的欢迎，但许多人不知道水树老化会使电缆绝缘击穿。

　　在电缆制造过程中，由外面侵入的极微量的水分在电缆绝缘层中是均匀分布的，但电缆投入使用后在电场的作用下，受到不均匀电场的吸引，产生极化迁移，逐渐积累而产生局部过饱和状态形成水树。电缆的绝缘层中只要同时存在水和电场就会产生水树。水树是直径在0．1微米到几微米充满水的空隙集合。水树和环境湿度也有关，交联聚乙烯电缆在65％以上的湿度环境中通电就可以产生水树。上海电缆研究所的研究证明有CI离子、SO4离子或NO3离子的水，与同等条件下的自来水相比，水树生长速度要快3～4倍。水树的存在直接影响到电缆的寿命。为了降低水树的增长速度，在地下水位较高及多雨的地区，不宜采取埋地敷设；在南方地区黄梅季节电缆沟内容易结露，因此要有通内措施；电缆的入口处应有堵水措施，避免雨水流入电缆沟内；电缆沟应有防渗漏措施和排水措施防止电缆沟内积水

　　由于交联聚乙烯电缆有水树老化现象，因此这种电缆不应长期在潮湿环境中使用，在施工时要严格防止潮气侵入电缆芯内部锯断的电缆端头要及时密封。

中压电缆绝缘料的水树老化研究
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关键词：　绝缘料　电缆　中压电缆
　　摘要：近年来随着中国电力企业对长寿命、高可靠性电力电缆关注的增加，武汉高压研究所和陶氏化学公司（TheDowChemicalCompany）一道，共同开展了一项针对于中国电缆结构的中压电缆老化试验研究项目，就使用抗水树绝缘料对电缆性能的提升进行评估。经过6个月的加速水树老化试验，已经可以明显地看出，在使用抗水树绝缘料和普通半导电屏蔽料后，电缆的性能得到了显著的提升。同时，为了建立和确保中压电缆期望的性能指标，该项目中使用的试验方案还可以作为一种在中国国内使用的鉴定试验方案。
　　关键词：中压电缆；绝缘料；水树；老化
　　0引言
　　世界各地的电力企业都希望那些位于地下主干线回路上的电力电缆能够具有尽可能长的使用寿命，以提高电网的可靠性，降低电网中断的次数，并且减少维护电网整体寿命所需的费用。在过去的20年中，北美的电力企业已经开始使用抗水树交联聚乙烯（TR-XLPE）作为主干线配电线路中的中压电缆首选的绝缘材料。这项技术有效地避免了普通交联聚乙烯抗水树性能不佳的不利影响。在法国凡尔塞举行2003Jicable年会的论文中已经提到，这种由于电缆采用TR-XLPE而提升的性能，是可以通过分析电缆老化过程中的试验数据得到的。同样，在欧洲，一种在XLPE基础上发展出来的具有抗水树特性的高分子聚合物被广泛地应用于电缆的绝缘材料已经近20年了，并且在现场使用中表现出了良好的性能。
　　在另一份Jicable论文中对这种聚合物绝缘材料在欧洲的实践使用进行了介绍。
　　为了对改进后的TR-XLPE绝缘材料的性能进行评估，在北美和欧洲都进行了类似的电缆加速老化试验，被当地的电力行业接受并且成为一种有效鉴定试验方法。其中，由北美洲用户使用的中压电缆鉴定规范是《ANSI/ICEAS-94-649-1997》，这是稍早一些的规范《AEICCS5-94》的最新版本。该规范包括几个方面的内容，其中最关键的鉴定试验就是加速水树老化试验（AWTY）。该试验的具体内容包括了对未老化和分别经过120、180天和360天老化的15kV电缆进行的一系列的工频和冲击击穿强度试验。在欧洲，CENELEC标准中也收录了一种类似的，由德国VDE0273电缆老化方法发展而来的老化试验方法，该
　　试验包括了对电缆在分别老化了6个月、1年和2年后的工频击穿试验内容。
　　最近一段时间，伴随着地下电缆网络的快速增长，广大的中国电力企业对长寿命、高可靠性的中压（MV）电缆的关注大大增加。为了向中国的用户评估TR-XLPE的良好性能，陶氏化学公司和武汉高压研究所合作开展了一项针对中国电缆结构的试验研究项目。该项目共使用了3种不同的电缆：一种电缆使用国产绝缘料，另一种使用陶氏XLPE绝缘料，最后一种使用陶氏TR-XLPE绝缘料。试验研究内容完全按照北美AWTY试验要求进行。
　　这3种电缆都由同一家中国电缆制造商在同一条生产线、同一段工期内生产。在武汉高压研究所内的电缆老化试验已经进行了8个多月，于2004年4月份结束。180天后的试验数据已经可以看出，与其他电缆相比，使用TR-XLPE的电缆具有明显的性能优势。该试验的具体内容也可以由中国用户作为鉴定试验或型式试验使用，作为衡量中压电缆性能的标准。
　　1试验研究方案
　　该试验研究项目使用10kV地下电力电缆（典型的中国电缆结构），按照AEICCS8-00《额定电压5至46kV挤出绝缘屏蔽电力电缆技术规范（第一版）》的内容要求进行试验。每一种电缆连续分割制成21个电缆样品，按照图1所示的程序流程进行试验，这些试验样品将进行：①局部放电试验，介质损耗系数测量和半导电层体积电阻率测量；②结构尺寸测量；③工频逐级击穿试验（HVTY）；④热冲击击穿试验；⑤14天热循环试验；⑥120、180天和360天加速水树老化试验（AWTF）；⑦水树检测统计。其中，加速水树老化试验、工频逐级击穿试验和水树检测统计是最关键的试验内容，在文中将着重介绍。
　　A、B和D3种电缆都具有相同的结构，每种电缆所使用的材料牌号见表1。电缆结构设计内容如下：①导体。50mm2，铜，圆形，绞合，紧压。②导体屏蔽。0．6ma厚，挤出半导电层。③绝缘。4．5mm厚，A为陶氏普通XLPE料，B为陶氏抗水树TR-XLPE料，D为国产XLPE料。④绝缘屏蔽。O．8mm厚，挤出半导电层。⑤金属屏蔽。0．12mm×25mm，铜带。
　　2试验设备
　　2．1加速水树老化试验（AWTT）
　　为了在样品13-21上进行加速水树老化试验，需要将电缆的导体和弯管充满自来水后，在每一个电缆终端顶部固定一个小塑料水容器并保持一定的水位，从而确保导体中充满水。每天通过在闭合导体回路中产生感应电流的方式加热电缆，每天加热8h，并且在每个热循环的末期应当使穿管内的绝缘屏蔽温度达到45±3℃，同时，一个交流26．2kV（5．9kV/mm）电压一直施加在试验样品导体上。
　　在试验的每一星期内，电缆样品应当连续进行5个周期为24h的热循环，然后是2天停止热循环。这期间的每24h就称为一个老化天。对每一种电缆，13、14和15号样品需要进行120天的加速水树老化，16、17和18号样品需要进行180天，而19、20和21号样品则需要360天的加速水树老化。
　　2．2工频逐级击穿试验（HVTT）
　　工频逐级击穿试验的样品需要至少7．93m的有效电缆长度，两端装入350kV的水终端中。使用17．5kV（3．94kV/mm），50Hz的工频交流作为起始电压，在样品上施加5min，然后以每5min为间隔，5kV（1．57kV/mm）为一级的逐级升高电压，直到电缆击穿或者达到43．31kV/mm为止。
　　对每一种电缆，1-3、7-9和13-21号样品均需要进行工频逐级击穿试验。
　　3经过120天和180天AVTT后的试验结果
　　由于这些试验产生了大量的试验数据，所以在这里只对那些非常重要，并且具有特别意义的试验数据，如工频逐级击穿试验的交流击穿值（ACBD）和水树检测统计数据进行着重论述。
　　在经过120天的加速水树老化过程后，3组电缆的所有电缆样品都可以继续试验。电缆A和电缆B的16-18号样品经受住了180天的加速水树老化过程，但是电缆D的所有剩余电缆样品（6-21号样品）在180天老化试验进行至140-150天期间全部被击穿。换句话说，电缆D用于180天和360天老化的所有样品在经过150天的加速水树老化过程后，已经全部无法供后续试验使用了。

中压电缆绝缘料的水树老化研究(二)
3．1工频逐级击穿试验
工频逐级击穿试验的交流击穿值(ACBD)见。交流击穿场强值由工频逐级击穿试验的击穿电压计算得出。中包括了未老化样品、14天热循环后样品、120天老化后样品和180天老化后样品的数据。
从可知，经过180天的加速水树老化，电缆A保持了初始交流击穿强度的50％，而电缆B的交流击穿强度则没有恶化。由于电缆D没能经受住180天的老化过程(见中虚线)，所以电缆D在180天的交流击穿强度5．9kY／mm由AW''IT期间的电压场强得出，并不是由HVTT试验的数据计算而来。
所有经过120天和180天老化过程的电缆都进行了领结形Bow-tie)水树和发散形(Vented)水树的测量，试验在电缆A、电缆B和电缆D中经过工频逐级击穿试验的13-18号样品上进行(作为特殊的情况，电缆D的16-18号水树样品直接从180天AWTT过程中击穿电缆上取样)。对每一个样品，都在击穿点的附近切取30个圆片，使用亚甲基蓝染色并凉干后，在显微镜下观察水树的生长情况。
在经过180天的AWTT过程后，所有的电缆样品中都没有发现大于0．25mm的发散形水树，并且只有非常少的小于0．25mm的发散形水树。使用TR-XLPE材料的电缆B中几乎没有水树产生，只有非常少的小于0．25mm的领结形水树，而大于0．25mm的则完全没有。使用陶氏XLPE材料的电缆A中，小于0．25mm领结形水树的密度为12个／cm3；0．25-O．51mm领结形水树的平均密度为5个／cm3；0．52-O．77mm领结形水树的平均密度为1个／cm3。而使用国产电缆材料的电缆D中，小于0．25mm领结形水树的密度超过1700个／cm3；0．25-0．51mm领结形水树的平均密度为170个／cm3；0．52-0．77mm领结形水树的平均密度为2个／cm3。
每种电缆的13-18号样品经过120天和180天老化后其O．14-0．25mm领结形水树的密度见；00．26-0．51mm．0．52-0.77mm和O．78-1．02mm领结形水树的密度见。在完成了120天AWTT过程的D13、D14号样品中发现了大量的发散形水树(高度0．125mm)和领结形水树(高度O．500mm)，见。
4试验结果的分析
从180天老化后的工频交流击穿试验可以明显地看出3种电缆的性能差别。经过180天的AWTT老化过程后，电缆A只保持了初始交流击穿强度的50％，电缆B的交流击穿强度则没有恶化，而电缆D的所有剩余的样品在老化试验进行140-150天期间全部被击穿。使用陶氏TR-XLPE和XLPE材料的电缆的试验数据与使用北美生产电缆的北美AEICAW-TT试验内容中的数据是非常接近的。
另一个值得注意的试验结果是，3种不同材料的电缆中的水树含量。根据以往的经验，绝缘层水树的含量过高，会导致电缆的交流击穿强度下降，缩短电缆运行的使用寿命。水树在一定的环境条件下会生长非常迅速，并最终导致电缆的击穿。
发散形水树经常产生在绝缘屏蔽层和绝缘层之间的交界处，是衡量电缆屏蔽层和绝缘层生产质量的重要指标。在每种电缆中都没有发现大于0．25mm的发散形水树，小于0．25mm的水树含量也很低，说明电缆导体屏蔽层的生产质量是很好的。
从另一面讲，领结形水树是产生在绝缘层内部的，可以反映绝缘层抗水树生长的能力。而在本项目中的3种电缆经过180天的老化过程后，领结形水树的含量差异非常大，尤其在D13和D14样品中已发现了发散形和非常大的领结形水树。在电缆D中产生的大量大尺寸的水树可以归咎于所使用的绝缘和屏蔽层材料的配方、洁净度和生产工艺，而且也为电缆D在180天老化过程中过早的击穿提供了合理的解释。
由于领结形水树只会在绝缘的缺陷处产生，例如杂质和微孔，因此从使用国产XLPE电缆和使用陶氏XLPE电缆的数据可以得出结论，即国产的XLPE材料中的杂质含量偏高。这也证实了洁净的电缆绝缘材料的重要性，即便是使用在中压电缆上，因为从击穿数据可以看出，杂质含量过高会降低电缆的使用寿命或者使电缆在现场使用中过早击穿。
5结论
从120天和180天老化过程后的数据可以明显地看到使用TR-XLPE电缆的优越性，本试验研究项目将陶氏TR-XLPE、陶氏XLPE和国产XLPE材料在性能上进行了显著的区分。进一步讲，这次的试验内容还可以为中国用户提供一套行之有效的鉴定和审查试验。从180天老化过程后的试验数据可以得出一个明确的结论，使用陶氏TR-XLPE和半导电屏蔽层材料制造的电缆可以具有令人满意的使用寿命。
6建议
在需要使用高性能电缆的场合，尤其电缆需要安装在水中或者十分潮湿环境中时，应当优先考虑使用高质量的TR-XLPE绝缘材料，可以预防电缆过早击穿，降低维修费用，为用户提供最优的性能价格比。
同时，以武汉高压研究所本次试验方案为基础，可以制定一套关于电缆老化试验的技术规范，用以确保提高整个电力行业中电缆的可靠性。
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